При каком условии возможен фотоэффект лямбда

Обновлено: 05.07.2024

В 1887 году Г. Герцем был открыт фотоэлектрический эффект, а продолжить его исследования довелось А.Г. Столетову. Ф. Леонард в 1900 году серьезно занялся данным проектом. К тому времени был открыт электрон. Это говорило о том, что фотоэффект состоял в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Данное исследование законов Столетова изображено на рисунке 5 . 2 . 1 .

Рисунок 5 . 2 . 1 . Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.

В лабораторных условиях применили стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами с очищенной поверхностью. К ним прикладывали напряжение U с возможностью изменения полярности с помощью ключа. Катод освещали монохроматическим светом с длиной волны λ через кварцевое окошко. Так как световой поток оставался неизменным, то зависимость силы тока I от напряжения ослабевала. Рисунок 5 . 2 . 2 . наглядно демонстрирует кривые зависимости при интенсивном свете, попадающем на катод.

Рисунок 5 . 2 . 2 . Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. I н 1 и I н 2 – токи насыщения, U з – запирающий потенциал.

По графику видно, что при подаче большого напряжения фототок анода А достигает насыщения, потому как при вырывании светом из катода они в состоянии достичь его.

Ток насыщения. Закономерности фотоэффекта

Ток насыщения I н прямо пропорционален интенсивности падающего света.

При наличии отрицательного напряжения на аноде, электрическое поле, находящееся между катодом и анодом, тормозится электронами. К аноду могут добраться электроны, у которых кинетическая энергия превышает значение | e U | . При наличии напряжения меньше, чем – U з , происходит прекращение фототока. После измерения – U з определяется максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов:

m υ 2 2 m a x = e U 3 .

Из формулы видно, что оно не зависит от интенсивности падающего света. После глубоких исследований стало ясно, что при возрастании запирающего потенциала происходит линейное увеличение частоты света ν .

Рисунок 5 . 2 . 3 . Зависимость запирающего потенциала U з от частоты ν падающего света.

После многочисленных экспериментов были установлены закономерности формул фотоэффекта:

При увеличении частоты света ν происходит возрастание кинетической энергии, независящей от ее интенсивности.
Наименьшей частотой ν m i n с внешним фотоэффектом называют красную границу фотоэффекта каждого вещества.
Количество фотоэлектронов за 1 с вырывания из катода прямо пропорционально интенсивности света.
Фотоэффект возникает после освещения катода с условием, что ν > ν m i n _.

Данные закономерности не соответствовали представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Исходя из волновых представлений, взаимодействие световой волны с электроном должно действовать по принципу постепенного накапливания энергии. Чтобы он смог вылететь из катода, необходимо иметь достаточное количество энергии, накапливаемой за определенный промежуток времени, не зависящий от интенсивности света.

Появление фотоэлектронов происходит сразу после освещения катода. Данная модель не давала четкого представления нахождения красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла дать объяснение независимости энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональности максимальной кинетической энергии частоты света. Поэтому электромагнитная теория была не способна объяснить эти изменения.

В 1905 году А. Эйнштейн дает теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта, основываясь на гипотезе М. Планка.

Постоянная Планка. Уравнение Эйнштейна

Излучение и поглощение света происходит определенными порциями, где она определяется формулой E = h ν , h принято называть постоянной Планка.

Основной шаг в развитии квантовых представлений относится к Эйнштейну:

Свет обладает прерывистой структурой. Электромагнитная волна состоит из порций, называемых, кварками, спустя время которые зафиксировали как фотоны.

После взаимодействия с веществом фотон передает свою энергию h ν одному электрону, одна часть которой рассеивается при столкновениях с атомами, а другая затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл-вакуум. Для этого ему необходимо совершить работу выхода А , зависящую от свойств материала катода.

Наибольшую кинетическую энергию, вылетевшую из катода фотоэлектроном, определяют законом сохранения энергии:

m ν 2 2 m a x = e U e = h ν - A .

Формула получила название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

Благодаря ему, закономерности внешнего явления фотоэффекта могут быть объяснены.

Линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта следуют из данного выражения.

Общее количество фотоэлектронов, которые покидают поверхность катода в течение 1 с , пропорционально числу фотонов, падающих на поверхность. Можно сделать вывод, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

По уравнению фотоэффекта Эйнштейна тангенс угла наклона прямой, выражающий зависимость запирающего потенциала U з от частоты ν , равняется отношению постоянной Планка h к заряду электрона e :

Формула позволяет вычислить значение постоянной Планка.

Р. Милликенн проводил измерения в 1914 году, после чего смог определить работу выхода А :

A = h ν m i n = h c λ к р ,

где c – скорость света, λ к р – длина волны, которая соответствует красной границе фотоэффекта.

Большинство металлов имеет работу выхода А и составляет несколько электрон-вольт ( 1 э В = 1 , 602 · 10 – 19 Д ж ) .

Квантовая физика использует электрон-вольт как энергетическую единицу измерения. Тогда значение постоянной Планка равняется

h = 4 , 136 · 10 - 15 э В · с .

Наименьшая работа выхода наблюдается у щелочных элементов. Натрий при A = 1 , 9 э В соответствует красной границе фотоэффекта λ к р ≈ 680 н м . Такие соединения применяют для создания катодов в фотоэлементах, используемых для регистрации видимого света.

Законы фотоэффекта говорят о том, что при пропускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц, называемых фотонами или световыми квантами.

Энергия фотонов записывается в виде формулы E = h ν .

При движении в вакууме фотон обладает скоростью с , а его масса m = 0 . Общее соотношение теории относительности, связывающее энергию, импульс и массу любой частицы, записывается как E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 .

Отсюда следует, что фотон обладает импульсом, значит:

Можно сделать вывод, что учение о свете вернулось к представлениям о световых частицах – корпускулах. Но это не расценивается как возврат к корпускулярной теории Ньютона. В XX было известно о двойственной природе света. Когда он распространялся, то проявлялись его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), при его взаимодействии с веществом – корпускулярные, то есть явление фотоэффекта. Это и получило название корпускулярно-волнового дуализма.

Спустя время, данная теория была подтверждена у других элементарных частиц. Классическая физика не дает наглядную модель сочетаний волновых и корпускулярных свойств микрообъектов. Их движениями управляют законы квантовой механики. В основе этой науки лежит теория абсолютно черного тела, доказанная М. Планком, и квантовая, предложенная Эйнштейном.

Начало теории электромагнитной природы света заложил Максвелл, который заметил сходство в скоростях распространения электромагнитных и световых волн. Но согласно электродинамической теории Максвелла любое тело, излучающее электромагнитные волны, должно в итоге остынуть до абсолютного нуля. В действительности этого не происходит. Противоречия между теорией и опытными наблюдениями были разрешены в начале XX века, вскоре после того, как был открыт фотоэффект.

Что такое фотоэффект

Фотоэффект — испускание электронов из вещества под действием падающего на него света.

Явление фотоэффекта было открыто в 1887 году Генрихом Герцем. Фотоэффект также был подробно изучен русским физиком Александром Столетовым в период с 1888 до 1890 годы. Этому явлению он посвятил 6 научных работ.

Для наблюдения фотоэффекта нужно провести опыт. Для этого понадобится электрометр и подсоединенная к нему пластинка из цинка (см. рисунок ниже). Если дать пластинке положительный заряд, то при ее освещении электрической дугой скорость разрядки электрометра не изменится. Но если цинковую пластинку зарядить отрицательно, то свет от дуги заставить электрометр разрядиться очень быстро.

Наблюдаемое во время этого эксперимента явление имеет простое объяснение. Свет вырывает электроны с поверхности цинковой пластинки. Если она имеет отрицательный заряд, электроны отталкиваются от нее, что приводит к полному разряжению электрометра. Причем при повышении интенсивности освещения скорость разрядки увеличивается, ровно, как и наоборот: при уменьшении интенсивности освещения электрометр разряжается медленно. Если же зарядить пластинку положительно, то электроны, которые вырываются светом, притягиваются к ней. Поэтому они оседают на ней, не изменяя заряд электрометра.

Если между световым пучком и отрицательно заряженной пластиной поставить лист стекла, пластинка перестанет терять электроны независимо от интенсивности излучения. Это связано с тем, что стекло задерживает ультрафиолетовое излучение. Отсюда можно сделать следующий вывод:

Явление фотоэффекта может вызвать только ультрафиолетовый участок спектра.

Волновая теория света не может объяснить, почему электроны могут вырываться только под действием ультрафиолета. Ведь даже при большой амплитуде и силе волн электроны остаются на месте, когда, казалось бы, они должны непременно быть вырванными.

Законы фотоэффекта

Чтобы получить более полное представление о фотоэффекте, выясним, от чего зависит количество электронов, вырванных светом с поверхности вещества, а также, от чего зависит их скорость, или кинетическая энергия. Выяснить все это нам помогут эксперименты.

Первый закон фотоэффекта

Возьмем стеклянный баллон и выкачаем из него воздух (смотрите рисунок выше). Затем поместим в него два электрода. На электроды подадим напряжение и будем регулировать его с помощью потенциометра и измерять при помощи вольтметра.

В верхней части нашего баллона есть небольшое кварцевое окошко, которое пропускает весь свет, в том числе ультрафиолетовый. Через него падает свет на один из электродов (в нашем случае на левый электрод, к которому присоединен отрицательный полюс батареи). Мы увидим, что под действием света этот электрод начнет испускать электроны, которые при движении в электрическом поле будут создавать электрический ток. Вырванные электроны будут направляться ко второму электроду. Но если напряжение небольшое, второго электрода достигнут не все электроны. Если интенсивность излучения сохранить, но увеличить между электродами разность потенциалов, то сила тока будет увеличиваться. Но как только она достигнет некоторого максимального значения, рост силы тока при дальнейшем увеличении напряжения прекратится. Максимальное значение силы тока будем называть током насыщения.

Ток насыщения — максимальное значение силы тока, также называемое предельным значением силы фототока.

Ток насыщения обозначается как I н . Единица измерения — А (Кл/с). Численно величина равна отношению суммарному заряду вырванных электронов в единицу времени:

Если же мы начнем изменять интенсивность излучения, то сможем заметить, что фототок насыщения также начинается меняться. Если интенсивность излучения ослабить, максимальное значение силы тока уменьшится. Если интенсивность светового потока увеличить, ток насыщения примет большее значение. Отсюда можно сделать вывод, который называют первым законом фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта:

Число электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Иными словами, фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку Ф.

Второй закон фотоэффекта

Теперь произведем измерения кинетической энергии, то есть, скорости вырывания электронов. Взгляните на график, представленный ниже. Видно, что сила фототока выше нуля даже при нулевом напряжении. Это говорит о том, что даже при нулевой разности потенциалов часть электронов достигает второго электрода.

Если мы поменяем полярность батареи, то будем наблюдать уменьшение силы тока. Если подать на электроды некоторое значение напряжения, равное U з , сила тока станет равно нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны, останавливает их, а затем возвращает на тот же электрод.

Напряжение, равное U з , называют задерживающим напряжением. Оно зависит зависит от максимальной кинетической энергии электронов, которые вырываются под действием света. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов. Оно будет равно:

m v 2 2 . . = e U з

Опыт показывает, что при изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение не меняется. Значит, не меняется кинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам. Но экспериментальным путем мы обнаруживаем, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Отсюда мы можем сделать вывод, являющийся вторым законом фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Причем, если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты ν_min, фотоэффект наблюдаться не будет.

Теория фотоэффекта

Все попытки объяснить явление фотоэффекта электродинамической теорией Максвелла, согласно которой свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались тщетными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему свет способен вырывать электроны лишь при достаточно малой длине волны.

В попытках объяснить это явление физик Макс Планк предложил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами, или фотонами. И энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:

h — коэффициент пропорциональности, который получил название постоянной Планка. Она равна 6,63∙10 –34 Дж∙с.

Пример №1. Определите энергию фотона, соответствующую длине волны λ = 5∙10 –7 м.

Энергия фотона равна:

Выразим частоту фотона через скорость света:

Идею Планка продолжил развивать Эйнштейн, которому удалось дать объяснение фотоэффекту в 1905 году. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Причем энергия Е каждой порции излучения, по его расчетам, полностью соответствовала гипотезе Планка.

Из того, что свет излучается порциями, еще не вытекает вывода о прерывистости структуры самого света. Ведь и воду продают в бутылках, но отсюда не следует, что вода состоит из неделимых частиц. Лишь фотоэффект позволил доказать прерывистую структуру света: излученная порция световой энергии Е = hν сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

h ν = A + m v 2 2 . .

Работа выхода — минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Полученное выражение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии hν в пучке света и поэтому определяет количество вырванных электронов. Скорость же электронов согласно зависит только от частоты света и работы выхода, которая определяется типом металла и состоянием его поверхности. От интенсивности освещения кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит.

Предельную частоту ν_min называют красной границей фотоэффекта. При этой частоте фотоэффект уже наблюдается.

Красная граница фотоэффекта равна:

Минимальной частоте, при которой возможен фотоэффект для данного вещества, соответствует максимальная длина волны, которая также носит название красной границы фотоэффекта. Это такая длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. Обозначается она как λ_mах или λ_кр.

Максимальная длина волны, при которой еще наблюдается фотоэффект, равна:

Работа выхода А определяется родом вещества. Поэтому и предельная частота v_min фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна. Отсюда вытекает еще один закон фотоэффекта.

Третий закон фотоэффекта:

Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах волн фотоэффекта нет.

Вспомните опыт, который мы описали в самом начале. Когда между цинковой пластинкой и световым пучком мы поставили зеркало, фотоэффект был прекращен. Это связано с тем, что красная граница для цинка определяется величиной λ_mах = 3,7 ∙ 10 -7 м. Эта длина волны соответствует ультрафиолетовому излучению, которое не пропускало стекло.

Пример №2. Чему равна красная граница фотоэффекта ν_min, если работа выхода электрона из металла равна A = 3,3∙10 –19 Дж?

Применим формулу для вычисления красной границы фотоэффекта:

Фотоэффект возможен при любом условии. Да, при любом, как бы просто это не прозвучало. Если вы случайно слегка прикрыли объектив пальцем, это тоже будет фотоэффектом.

Если иметь ввиду фотоэффект, который накладывается при помощи компьютера, тогда обязательное условие - это рабочий компьютер со всем необходимым софтом.

Если вам нужен какой-то конкретный фотоэффект, вы хоть поясните, чтобы проще было ответить на ваш вопрос.

Устройство, при помощи которого можно наблюдать фотоэффект, называют фотоэлементом. Он представляет собой небольшой стеклянный сосуд, в который впаяны два металлических электрода (рис. 17.1). На один из электродов может падать свет. Этот электрод называют фотокатодом. Противоположный электрод называют анодом. Воздух из сосуда откачивают так, что в пространстве между катодом и анодом создается достаточно высокий вакуум, который, как известно, является хорошим электроизолятором. При облучении катода светом в цепи возникает электрический ток (фототок). Это означает, что в пространстве между катодом и анодом появляются заряженные частицы, упорядоченное движение которых и есть электрический ток. Такими частицами являются электроны, вылетающие с поверхности катода.

Рис. 17.1. Схема установки для исследования фотоэффекта

Закономерности фотоэффекта можно установить при исследовании вольт-амперноИ характеристики фотоэлемента, которая есть зависимость силы фототока от напряжения на его электродах. На рис. 17.2

изображена вольт-амнерная характеристика вакуумного фотоэлемента. Из этого рисунка видно, что между катодом и анодом протекает электрический ток даже тогда, когда электрическое поле отсутствует. Это свидетельствует о том, что электроны вылетают с поверхности, имея ненулевые скорости. Если, приложив к электродам напряжение, создать в пространстве между ними электрическое поле, ускоряющее движение электронов, то сила тока в цепи увеличится. Когда напряжение между электродами невелико, только самые быстрые электроны достигают анода. Те же из электронов, которые при вылете из катода имеют не очень большие скорости, отбрасываются назад на катод ранее вылетевшими электронами.

Рис. 17.2. Волът-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента

При достаточно большом напряжении ток достигает насыщения, т.е. сила тока перестает увеличиваться при повышении напряжения. Это означает, что все электроны, испущенные с катода, попадают на анод. Если за единицу времени фотоны ’’выбивают” из катода N_e электронов, то сила /„ тока насыщения будет

Русский ученый А.Г.Столетов (1839 - 1896) установил, что сила тока насыщения /_н пропорциональна энергии Ф света, падающего за единицу времени на поверхность катода:

Этот факт свидетельствует о том, что свет следует рассматривать как совокупность частиц. В самом деле, если число фотонов, падающих на катод за единицу времени, равно Ыф, то их энергия будет

Число электронов N_e, выбиваемых фотонами с поверхности катода за единицу времени, должно быть пропорционально числу падающих на катод фотонов:

Таким образом, будем иметь

т.е. придем к зависимости (17.5), выражающей закон Столетова.

Если изменить полярность напряжения, подаваемого на электроды, то электрическое поле будет уже не ускорять электроны, а тормозить их движение. Теперь при повышении напряжения сила тока будет уменьшаться вследствие того, что часть электронов возвращается на катод. При значении U₃ обратного напряжения ток в цепи прекращается. Это значение называют задерживающим напряжением. При этом напряжении только самые быстрые электроны долетают до анода и, не касаясь его, возвращаются обратно на катод. Связь между наибольшей скоростью Vmax электрона, вылетающего с поверхности катода, и задерживающим напряжением можно установить при помощи закона

из механики, согласно которому приращение кинетической энергии частицы равно работе действующих на нее сил. Этот закон приводит к уравнению

где левая часть есть наибольшая кинетическая энергия вылетающего из катода электрона, а правая - потенциальная энергия, которую приобретает такой электрон, когда он подлетает к аноду.

Предполагают, что испускание электронов под действием света происходит потому, что при столкновении с электроном фотон отдает ему всю свою энергию, а сам исчезает (поглощается) (рис. 17.3). Что происходит с электроном после того, как он в результате взаимодействия с фотоном получил от него энергию hu? Не каждый электрон, получивший такую энергию покидает катод. Некоторые из этих электронов теряют всю полученную энергию при столкновениях с частицами вещества: атомами, ионами и другими электронами. В редких случаях электрон, получивший энергию hu, сразу начинает двигаться в сторону поверхности катода. Даже в таком благоприятном для выхода из металла случае электрон теряет энергию А, преодолевая силы притяжения, действующие на него со стороны положительных ионов кристаллической решетки у поверхности металла (рис. 17.3). Энергия А, необходимая для преодоления этих сил, называется работой выхода электрона из металла.

Рис. 17.3. Фотоны ”выбивают” электроны из металла. Положительные ионы, образующие кристаллическую решетку, препятствуют движению электронов от поверхности металла

Очевидно, что отрыв электрона от поверхности металла возможен только, когда полученная им от фотона энергия больше работы выхода:

Поэтому фотоэффект возможен при условии, что на поверхность металла падает свет с частотой

называется красной границей фотоэффекта.

Закон сохранения энергии для электрона, получившего от фотона энергию Ни; и вылетевшего с поверхности катода со скоростью v, будет иметь вид

где Q - энергия, теряемая электроном при столкновениях с атомами и другими электронами в металле. В том случае, когда Q = 0, скорость вылета электрона будет наибольшей. При этом уравнение (17.9) принимает вид

где VfjiQx - наибольшее значение скорости, которую могут иметь электроны, вылетающие с поверхности катода. Соотношение (17.10) называют формулой Эйнштейна. За объяснение фотоэффекта А. Эйнштейну в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия.

Исключив из уравнений (17.6) и (17.10) величину v_max, придем к зависимости задерживающего напряжения от частоты падающего на фотокатод света:

График этой зависимости есть прямая (рис. 17.4). При помощи этого графика можно измерить значения и>_кр частоты красной границы фотоэффекта и работы выхода А электрона из металла.

Рис. 17.Зависимость задерживающего напряэюсния от частоты света, падающего на фотокатод

Читайте также: